Teodor Winkler Politechnika Śląska, Gliwice Komputerowa wizualizacja relacji człowiek maszyna środowisko pracy jako metoda wspomagająca nauczanie bezpieczeństwa i higieny pracy Wprowadzenie Metody wizualizacji w nauczaniu służą do ilustracji wykładanego materiału i pomagają w jego zrozumieniu. Są także pomocą w samodzielnej pracy ucznia (studenta) powtarzania i utrwalania materiału. Referat ma wskazać możliwości zastosowania metod wizualizacji komputerowej w nauczaniu bezpieczeństwa i higieny pracy. Przedmiotem zainteresowania bezpieczeństwa i higieny pracy jest kształtowanie właściwych relacji pomiędzy człowiekiem, a otaczającymi go środkami technicznymi, które wraz z otoczeniem tworzą przestrzeń pracy. W procesie użytkowania tworzą się więzi pomiędzy środkiem technicznym a człowiekiem, dzięki którym powstaje system antropotechniczny [8]. Sposób oddziaływania człowieka na środek techniczny powinien odpowiadać jego naturalnym właściwościom. Wynika stąd celowość ich oceny w świetle kryteriów ergonomicznych. Oddziaływania środka technicznego na człowieka mogą w sposób trwały szkodliwie wpływać na jego zdrowie lub zagrażać jego życiu. Zwraca to uwagę na potrzebę oceny według kryteriów bezpieczeństwa pracy. Wizualizacja układów antropotechnicznych polega na przedstawianiu obrazów modeli komputerowych środków technicznych i ludzi. Modele cech konstrukcyjnych maszyn powstają w środowisku programów CAD (ang. Computer Aided Design) stosowanych powszechnie w projektowaniu technicznym. Modelowanie cech antropometrycznych ludzi odbywa się w programach zintegrowanych z programami CAD. Obydwa rodzaje modeli przenoszone są do specjalnych programów, w których następuje ich wizualizacja. W programach wizualizacji mogą być opisane takie czynniki niebezpieczne jak: - poruszające się maszyny i mechanizmy, - ruchome elementy urządzeń technicznych, - naruszenie konstrukcji maszyn. W programach modelowania cech antropometrycznych uwzględniane są: - odległości bezpieczeństwa, - wymiary dostępu podczas obsługi oraz prac remontowych i konserwacyjnych, - pola widzenia operatorów.
Modelowanie cech konstrukcyjnych maszyn Modele geometryczne środków technicznych znajdujących się w środowisku pracy człowieka tworzone są w programach CAD. Modele te powinny zawierać możliwie największą liczbę cech opisujących obiekty rzeczywiste. Postulat ten w największym stopniu spełniają modele bryłowe [7]. Rys.1. Model przestrzenny kompleksu ścianowego Na rys.1 pokazano model kompleksu ścianowego. Modelowanie cech antropometrycznych człowieka Omówiony zostanie sposób tworzenia modeli antropometrycznych w programie ANTHROPOS 4 [1]. Program ten jest zintegrowany z systemem CAD i wykorzystuje jego sposób komunikacji z użytkownikiem. Geometryczne modele sylwetek ludzkich tworzone są na podstawie danych antropometrycznych zgromadzonych w bazie danych rys.2. Dane te obejmują: narodowość, płeć, wiek, typ somatyczny i proporcje budowy ciała. Do odwzorowania skóry zastosowano 3200 punktów rozmieszczonych na powierzchni modelu. Cechy biomechaniczne opisano przy pomocy 90 przegubów, najczęściej 5-osiowych tworzących łańcuchy kinematyczne odpowiadające naturalnym organom ruchu. Ponadto do modelu jest przypisany tzw. punkt bazowy usytuowany w okolicach stawu biodrowego. Model kręgosłupa składa się z 24 kręgów. Orientacja przestrzenna modeli sylwetek ludzkich odbywa się za pomocą punktów i płaszczyzn odniesienia. Są one zlokalizowane na głowie, dłoniach, stopach oraz w punkcie bazowym. Jednocześnie takie same elementy geometryczne są rozmieszczone na modelach analizowanych środków technicznych. Poprzez animację modele sylwetek ludzkich przyjmują postawy charakterystyczne dla obsługi środka technicznego. Wyróżnić przy tym można animację automatyczną i manualną. W animacji automatycznej po wskazaniu punktów lub płaszczyzn odniesienia dla rąk, palców u rąk, palców u nóg, pięt lub punktu bazowego, cała sylwetka przechodzi do nowej pozycji stojącej lub siedzącej. Animację manualną stosuje się najczęściej do korygowania postawy osiągniętej w animacji automatycznej. Dotyczy to ułożenia dłoni, palców u dłoni, dokładnego ustawienia stóp itd. W każdej postawie można zbadać stopień
wykorzystania ruchliwości stawów, oraz określić obciążenia występujące w układzie kostnym. Badanie przejść minimalnych Rys.2. Modele sylwetek ludzkich Model z rys.2 został przekształcony do postaci wymaganej podczas badania przejść minimalnych dla osób przemieszczających się wzdłuż kompleksu ścianowego [2]. Rozważany jest przypadek niskich wyrobisk ścianowych, w których obsługa przemieszcza się na kolanach. Na modelu tym, na poziomie podłoża umieszczone zostały linie pomocnicze przecinające się w punktach odniesienia, rys.3. Punkty pr1, pr2 i pr3 odnoszą się do prawej ręki, natomiast punkty lr1, lr2, lr3 dotyczą ręki lewej. Do punktów pn1 i ln1 odnoszone są palce u nóg. Na tle modelu widoczna jest wstępna animacja sylwetki w pozycji klęczącej. Poprzez przyporządkowanie punktów odniesienia na modelu do odpowiednich punktów odniesienia kończyn górnych i dolnych sylwetka przyjmuje postawę jak na rysunku. W tej pozycji badane są przejścia minimalne podczas nadążania operatora za kombajnem przesuwającym się wzdłuż ściany.
Rys.3. Badanie przejść minimalnych 5. Uwagi końcowe Przedstawione przykłady pokazują przydatność metod wizualizacji komputerowej w nauczaniu bezpieczeństwa i higieny pracy. Zwraca to jednocześnie uwagę na potrzebę uwzględnienia w programach nauczania również zajęć związanych z modelowaniem komputerowym. Dotychczas wiadomości z tego zakresu były przekazywane na kierunkach studiów poświęconych projektowaniu: maszyn, urządzeń, budynków. Zakres wiedzy na temat posługiwania się modelami podczas wizualizacji zagadnień związanych z bezpieczeństwem i higieną pracy nie musi być tak obszerny jak w wypadku projektantów. Wymagane są: - znajomość zasad obsługi programów wizualizacyjnych, - umiejętność pozyskiwania modeli geometrycznych z innych programów i przenoszenia ich do środowiska programów wizualizacyjnych, - znajomość tworzenia scenariuszy sytuacji niebezpiecznych na podstawie okoliczności wypadków zaistniałych w przyszłości. Modelowanie łańcuchów kinematycznych ciała ludzkiego, a w szczególności określenie ruchliwości stawów oraz sił i momentów występujących w układzie kostnym pozwalają w porę zidentyfikować postawy uciążliwe, prowadzące do chorób zawodowych. Abstract Computer visualization of the man - machine relations as an adding tool for teaching in safety and occupational healthy An computer based method for the modeling and visualization of the man-machine relations is described. The applications inside the CAD and visualization programs are explained. The are showed examples from the area of the coal mining machines.
Literatura 1. ANTHROPOS IV. 3D Ergonomic system for analysis and design of technical environments. Manual. IST GmbH Januar 1996. 2. CMG KOMAG Gliwice. SPR1. Zadanie badawcze III.13.5.:Opracowanie metod komputerowo wspomaganego projektowania z uwzględnieniem kryteriów bezpieczeństwa pracy i ergonomii dla wybranych typów maszyn górniczych. Gliwice 1997. 3. Dietrych J.: System i konstrukcja. WNT Warszawa 1985. 4. PN-80/Z-08052. Ochrona pracy. Niebezpieczne i szkodliwe czynniki występujące w procesie pracy. Klasyfikacja. 5. PN-94/G-50041. Ochrona pracy. Obudowy ścianowe zmechanizowane. Wymagania bezpieczeństwa i ergonomii. 6. PN-EN 292. Bezpieczeństwo maszyn. Pojęcia podstawowe, ogólne zasady projektowania. Część 1: Podstawowa terminologia, metodologia. Część 2: Zasady i wymagania techniczne. 7. Winkler, T. : Komputerowy zapis konstrukcji. WNT Warszawa 1997. 8. Winkler T.: Metody komputerowo wspomaganego projektowania układów antropotechnicznych, na przykładzie maszyn górniczych. Zeszyty Głównego Instytutu Górnictwa nr 847. Katowice 2001.